2 марта 2023, 22:00 Анна Солдатенко

Попытка оказалась лучше воображения при мысленном управлении компьютером

С помощью электроэнцефалографии компьютер может определить, когда полностью парализованный человек представляет себе, как двигает конечностью, и отреагировать на это роборукой или курсором. Такой подход требует долгих тренировок и достаточно сложен, а потому в качестве альтернативы нейрофизиологи предложили использовать квазидвижения — столь слабые попытки движения, что их можно засечь лишь с помощью ЭЭГ, при этом сигнал все равно будет сильнее, чем при воображении. Компьютер может точнее обработать такие команды, а для человека они более естественны и проще в освоении. Авторы работы планируют скорый запуск интерфейса мозг-компьютер (ИМК), управляемого квазидвижениями. 

Попытка оказалась лучше воображения при мысленном управлении компьютером
Сергей Шишкин тестирует сетап эксперимента по квазидвижениям
Источник: Сергей Шишкин

Квазидвижения — необычный и крайне мало изученный двигательный феномен. Он наблюдается, когда участника эксперимента просят выполнять движение, постепенно уменьшая его амплитуду до тех пор, пока исчезает не только видимое движение, но и активация ответственной за него мышцы. Эти слабые попытки и называются квазидвижениями. Их отражение все еще можно видеть на электроэнцефалограмме (ЭЭГ): на голову испытуемого надевают шапочку с электродами, которые улавливают изменения электрической активности мозга, а специальная программа переводит эти сигналы в графики. Нечто подобное можно наблюдать, когда человек с парализованной или отсутствующей конечностью пытается ей пошевелить. 

Ученые из Московского государственного психолого-педагогического университета (МГППУ, Москва) провели эксперимент, в котором 23 молодых добровольца сравнивали квазидвижения с воображаемым и реальным движением. Исследователи сначала обучали их отведению большого пальца руки в реальности, в воображении и в квазидвижении, а затем записывали работу их мозга с помощью электроэнцефалографии. После эксперимента был проведен опрос, чтобы выяснить, о чем думали добровольцы во время выполнения заданий. 

По субъективным ощущениям испытуемых, намерение сделать квазидвижение практически не отличалось от намерения выполнить реальное движение. На ЭЭГ же активность мозга при квазидвижении оказалась выше, чем при воображении движений, хотя последние были большой амплитуды. Авторы предположили, что это как-то связано с тем, что попытки выполнения квазидвижений время от времени приводят к незаметному для экспериментатора небольшому напряжению мышц. Может быть, испытуемый это чувствует и переживает, что испортит эксперимент, и в результате изменения в ЭЭГ более выражены.

 «Предположительно будучи промежуточной, полуреальной активностью, квазидвижения могут позволить нам лучше понять, как мысленные действия соотносятся с телесными. В частности, наша вторая статья посвящена так называемой агентной осведомленности, то есть характерному субъективному опыту, сопровождающему действия», — рассказывает исполнитель проекта по гранту РНФ Артем Яшин, сотрудник группы нейрокогнитивных интерфейсов МЭГ-центра МГППУ, аспирант философского факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. 

Ученые применили более чувствительную авторскую методику анализа мышечной электрической активности. Оказалось, что часть попыток совершения квазидвижений действительно сопровождается небольшой мышечной активацией, не выявляемой ранее использовавшимися методами. Исследователи назвали такие попытки «квази-квазидвижениями». При воображении движений подобная активация мышц, как и ожидалось, встречалась намного реже. Однако исследование факторов, влияющих на ЭЭГ, с помощью метода смешанных линейных моделей доказало, что различие эффектов при воображаемых движениях и квазидвижениях никак не связано с разной мышечной активацией. Значит, более сильный сигнал мозга при квазидвижениях связан с какими-то более глубинными факторами — возможно, с тем, что квазидвижения действительно значительно ближе к реальным движениям, чем считалось раньше. 

«На полученных данных ЭЭГ мы теперь отлаживаем алгоритмы машинного обучения, моделирующие работу нейроинтерфейса, через который можно подавать команды с помощью квазидвижений. Мы надеемся, что вместе с нашими партнерами из Центра биоэлектрических интерфейсов Высшей школы экономики сможем довольно скоро запустить такой интерфейс», — делится планами исполнитель проекта по гранту РНФ Сергей Шишкин, ведущий научный сотрудник МЭГ-центра (Центра нейрокогнитивных интерфейсов) и руководитель группы нейрокогнитивных интерфейсов МГППУ. 

Идея использовать квазидвижения для управления интерфейсом мозг-компьютер возникла еще у первооткрывателей этого феномена, поскольку такой подход проще освоить, а вероятность ошибочного «понимания» команды компьютером вдвое меньше.

«Сочетание воображения движений с ожиданием события в реальном мире, а именно срабатывания управляемого от ИМК устройства вроде экзоскелета, является довольно неестественным, — говорит руководитель проекта по гранту РНФ Анатолий Васильев, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник группы нейрокогнитивных интерфейсов МЭГ-центра МГППУ. — В случае квазидвижений и попыток выполнения движения нет такой явной установки на мысленное действие вместо реального, поэтому они могут оказаться более подходящими для ИМК, сделав его управление точнее, а освоение — проще».

Источник:  Пресс-служба РНФ

Публикации из новости

Читайте также

Устная и мысленная речь формируются по одинаковым мозговых механизмам
Результаты исследования сотрудников ЮФУ могут лечь в основу речевых «протезов»
Интерфейс мозг-компьютер
Искусственный интеллект
Нейробиология
15 января 2022
Выяснено, что мозг по-разному реагирует на реальные и воображаемые движения
Ученые установили, как активность нашего мозга при воображаемом движении отличается от его работы во время реального действия. Оказалось, что в обоих случаях возникает предшествующий сигнал в коре головного мозга, однако при воображаемом движении он не имеет четкой привязки к конкретному полушарию. Полученные данные потенциально могут использоваться в медицинской практике для создания нейротренажеров и контроля восстановления нервных сетей у пациентов, перенесших инсульт.
Биоинженерия
Биоинформатика
Вычислительная биология
Нейробиология
2 января 2024
Модель машинного обучения выявила болезнь Паркинсона по сигналам ЭЭГ
Ученые разработали модель машинного обучения, позволяющую за сотые доли секунды по результатам электроэнцефалограммы (ЭЭГ) с 99,9% точностью выявлять болезнь Паркинсона. Еще одно преимущество нового алгоритма — в совместимости с портативными бытовыми устройствами, которые пациенты могут иметь у себя дома. Поэтому предложенный алгоритм может использоваться не только в больнице при диагностике, но и в домашних условиях для мониторинга состояния здоровья людей с ранее выявленной болезнью Паркинсона.
Машинное обучение
Медицина
Нейробиология
4 декабря 2023
Микробиота - одна из возможных причин идиопатической ходьбы на носках у детей
Идиопатическая ходьба на носках (отсутствие полного контакта стопы) встречается примерно у 1-5% детей и возможно являться симптомом задержки развития, психоэмоциональных или неврологических расстройств, а также следствием травм. Эта сенсомоторная дисфункция потенциально может возникнуть из-за несбалансированной выработки нейротрансмиттеров - посредников передачи импульса между нейронами и от нейронов к мышечной ткани, которые играют решающую роль в двигательном контроле. Ученые МФТИ, кафедры ортопедии РУДН и Института белка РАН провели детальный анализ научных исследований, посвященных данной патологии, и вывели теоретическое обоснование взаимосвязи нарушения выработки нейромедиаторов с дисбалансом метаболитов кишечной микробиоты.
Генетика
Микробиология
Нейробиология
2 ноября 2023
Мутации в белках PIDD1 и RAIDD помогут в лечении нейродегенеративных заболеваний
Ученые проанализировали исследования, посвященные нейродегенеративным заболеваниям, таким как болезнь Альцгеймера, Хантингтона и деменция с тельцами Леви, и выяснили, какую роль в них играют три белка ПИДДосомного комплекса, запускающего процесс программируемой гибели клеток. Так, мутации в двух из них — PIDD1 и RAIDD — приводят к аномалиям в развитии мозга, а избыток третьего — каспазы-2 — способствует появлению патологических белков в нервной ткани. Работа может использоваться при создании новых лекарственных препаратов для лечения нейродегенеративных заболеваний.
Клеточная биология
Нейробиология
Регенеративная медицина
6 октября 2023
Среда по-разному влияет на механизмы памяти и обучения у самок и самцов крыс
Игрушки, общение с сородичами и частая смена обстановки вызвали у самок рост количества незрелых стволовых клеток в гиппокампе и уровня биомаркеров нейрогенеза. У самцов эффект был не столь заметен
Нейробиология
Физиология
Этология
27 июля 2023